TEMA 3: GENÉTICA

BIOLOGÍA BI 1

1 Genes y cromosomas 1.1 GENES

La genética es el estudio de la variación y la herencia. La unidad básica de la herencia es el gen. Un gen es un factor hereditario que controla una característica específica. Un núcleo de una célula típica animal o vegetal contiene cientos de genes. El número total de genes en los humanos no ha sido conocido aún, pero probablemente es entre 30.000 y 40.000. Todos los genes de un organismo son conocidos colectivamente como genoma. Un genoma es toda la información genética de un organismo. 1.2 CROMOSOMAS

Los genes están hechos de ADN. Ellos son parte de las inmensas moléculas de ADN llamadas cromosomas. En los eucariontes, las proteínas siempre están asociadas con el ADN de los cromosomas. Un cromosoma típico animal o vegetal contiene cerca de 1.000 genes, los cuales están ordenados en una secuencia lineal. En cualquier tipo particular de cromosoma los genes se encuentran ordenados en la misma secuencia. La posición de un gen en un cromosoma es llamada locus. 1.3 ALELOS

Aunque un tipo específico de cromosoma siempre tiene los mismos genes en la misma secuencia, los genes pueden variar. Se puede encontrar diferentes formas de genes. Estos son llamados alelos de un gen. Un alelo es la forma de un gen, diferenciándose de otros alelos al menos en unas pocas bases y ocupando el mismo locus como los otros alelos de ese gen. 1.4 REPLICACIÓN DE CROMOSOMAS

Si un núcleo se va a dividir mediante mitosis o meiosis, se replica todo el ADN en el núcleo. Cuando la mitosis o la meiosis comienzan, cada cromosoma es visible como una estructura doble (Fig. 1). Las dos partes son llamadas cromátidas y están conectadas mediante un centrómero. Algunos tipos de cromosomas tienen un centrómero en el centro y otros tienen un centrómero más cerca a un extremo.

1.5 HAPLOIDE Y DIPLOIDE

En la mayoría de las células el núcleo contiene dos cromosomas de cada tipo (Fig. 2). La célula por lo tanto tiene dos juegos completos de cromosomas. Esto es llamado diploide . Algunas células sólo contienen un cromosoma de cada tipo y por ende tienen un solo juego. Esto es llamado haploide . En las células diploides cada par de cromosomas tiene los mismos genes, ordenados en la misma secuencia. Sin embargo, ellos usualmente no tienen los mismos alelos de todos estos genes. Ellos por lo tanto no son idénticos, pero si son homólogos. Los cromosomas homólogos tienen los mismos genes, en la misma secuencia, pero no necesariamente los mismos alelos. El número de cromosomas en una célula puede ser reducido desde diploide a haploide mediante el proceso de meiosis. La meiosis está descrita como una división reductora. Los organismos vivos que se reproducen sexualmente tienen la mitad de su número cromosómico en alguna etapa del ciclo de vida, porque la fusión de los gametos durante la fecundación la dobla.

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BIOLOGÍA BI 2

Fig. 1. Cromosomas visibles. Fig. 2. Cariotipo de hembra humana.

1.6 CARIOTIPOS Y CARIOTIPEO

El número y apariencia de los cromosomas en un organismo es llamado cariotipo. Los organismos vivos que son miembros de la misma especie, usualmente tienen el mismo cariotipo. El cariotipo de una hembra humana se muestra más arriba. Una pequeña proporción de humanos tiene un cariotipo diferente. Un procedimiento llamado cariotipo es usado para probar esto. Una ejemplo es la prueba en bebes antes de su nacimiento (fetos), para averiguar si tienen el síndrome de Down. ? Se remueve una muestra del fluido amniótico desde la madre. Contiene células desde el feto. ? Las células son incubadas con químicos que simulan dividirlas por mitosis. ? Otro químico usado detiene la mitosis en la metafase. Los cromosomas son en su mayoría

visibles fácilmente en la metafase. ? Se usa un fluido para reventar a las células y liberar a los cromosomas. ? Las células reventadas se examinan usando un microscopio y se toma una fotografía de los

cromosomas de una célula. ? Los cromosomas en la fotografía son extraídos y ordenados en pares. Esto es llamado

cariotipo. En la Fig. 3 se muestras los cromosomas de un niño con síndrome de Down. Hay un cromosoma extra en el par 21. Hay tres presentes en vez de los dos usuales.

2 Meiosis

2.1 LOS MOVIMIENTOS CROMOSÓMICOS EN LA MEIOSIS Y LA VARIACIÓN GENÉTICA

Durante la primera división de la meiosis un cromosoma de cada par se mueve a un polo y el otro cromosoma al otro polo de la célula. La posición de cada par de cromosomas en el núcleo es al azar cuando los microtúbulos se adhieren a ellos. Esto se llama orientación aleatoria. Los microtúbulos desde cada polo se adhieren a cualquier cromosoma del par más cercano. Debido a la orientación aleatoria, cada polo podría recibir a un cromosoma de cada par. Hay dos posibilidades iguales. Todas las células tienen al menos dos pares de cromosomas. El segundo par también está orientado al azar, dando dos posibilidades y por lo tanto cada polo en total podría recibir cuatro (2 x 2) posibles combinaciones para dos cromosomas (Fig. 4). Con tres pares de cromosomas hay ocho combinaciones posibles (2 x 2 x 2). Si el número de pares de cromosomas es n, el número de combinaciones posibles de cromosomas que se

Fig. 3. Cariotipo con Down.

TEMA 3: GENÉTICA

BIOLOGÍA BI 3

puede formar debido a la orientación aleatoria durante la meiosis es 2n. En los humanos por ejemplo, donde n es 23, hay más de 8 millones de posibles combinaciones. Cada una de éstas es genéticamente diferente, de modo que los movimientos de los cromosomas en la meiosis generan una gran variedad genética. Fig. 4. Posibles combinaciones para dos cromosomas.

2.2 ETAPAS DE LA MEIOSIS

2.3 LA NO DISYUNCIÓN Y EL SÍNDROME DE DOWN

Algunas veces los cromosomas que deberían separarse y moverse a los polos opuestos durante la meiosis, no lo hacen; y por el contrario, se mueven al mismo polo. Esto puede suceder en la primera (izquierda) o la segunda división meiótica (derecha) (Fig. 5).

Se aparean los cromosomas. Los cromosomas en cada par son homólogos.

Los microtúbulos del huso crecen desde los polos hacia el ecuador como en la mitosis.

La célula se ha dividido para formar dos células haploides. Estas inmediatamente se dividen de nuevo – la meiosis involucra dos divisiones.

La membrana nuclear desaparecerá pronto.

Los pares de cromosomas se alinean en el ecuador.

Cada cromosoma formado aún por dos cromátidas.

Los microtúbulos del huso, desde los polos, se adhieren a los diferentes cromosomas de cada par; asegurando que cada uno sea empujado hacia un polo.

Los cromosomas homólogos son empujados hacia polos opuestos. Esto divide el número cromosómico.

La membrana celular alrededor del ecuador pronto será empujada hacia el interior para dividir la célula.

Crecen nuevos microtúbulos del huso desde los polos hacia el ecuador.

La membrana celular nuevamente es empujada hacia dentro para dividir a la célula.

Ambas células se han dividido nuevamente para formar células haploides.

Cada núcleo ahora tiene la mitad de cromosomas que los del núcleo de una célula madre.

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BIOLOGÍA BI 4

Fig. 5. La no-disyunción en la primera (izquierda) o la segunda división meiótica (derecha). La no separación de cromosomas es llamada no-disyunción. El resultado es que los gametos son producidos con demasiados o muy pocos cromosomas. Los gametos con muy pocos cromosomas usualmente mueren rápido. Los gametos con muchos cromosomas algunas veces sobreviven. Cuando ellos son fecundados, se produce un cigoto con tres cromosomas de un tipo en vez de dos. Esto es llamado trisomía. El síndrome de Down usualmente es causado por la trisomía del cromosoma 21. Esto puede deberse a la no-disyunción durante la formación del semen u óvulo. La probabilidad del síndrome de Down aumenta con la edad de los padres.

3 La Ley de Segregación de Mendel 3.1 LOS CRUCES DE MONOHÍBRIDOS DE MENDEL

Gregor Mendel investigó la herencia mediante plantas de arvejas que tenían características diferentes. Por ejemplo, él cruzó una variedad de semillas lisas con una de semillas rugosas. El encontró que toda la descendencia (llamada la generación F1) tenía la misma característica que las progenitoras. Él permitió que la generación F1 se autofertilizara. Cada planta produjo descendencia fertilizando sus gametos femeninos con sus propios gametos masculinos. La descendencia (llamada generación F2) contenía ambos tipos progenitores originales. La característica que desapareció en la generación F1 reapareció en un cuarto de la generación F2. Desde los resultados de los cruces de monohíbridos, Mendel descubrió la Ley de Segregación. La Fig. 6 muestra un ejemplo de los cruces de monohíbridos de Mendel.

3.2 DEFINICIONES O TÉRMINOS USADOS POR GENETISTAS

Hay dos pares de términos que son usados a menudo por los genetistas:

Homocigoto: Tiene dos alelos idénticos de un gen. Todos los gametos de un homocigoto tienen el mismo alelo. Heterocigoto: Tiene dos alelos diferentes de un gen. Una mitad de los gametos de un heterocigoto tiene uno de los alelos, y la otra mitad, el otro alelo. Alelo dominante : Es un alelo que tiene el mismo efecto en el fenotipo de un individuo heterocigoto (donde es combinado con un alelo recesivo) que en un individuo homocigoto (donde hay dos copias del alelo dominante). Alelo recesivo: Es un alelo que solamente tiene un efecto en el fenotipo de individuos homocigotos (donde hay dos copias del alelo recesivo). En individuos herterocigotos el alelo recesivo está oculto por el alelo dominante.

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BIOLOGÍA BI 5

3.3 CRUCE MOMOHÍBRIDO ENTRE SEMILLAS DE ARVEJA LISAS Y RUGOSAS

Fig. 6. Ejemplo de cruce de monohíbridos de Mendel.

P = generación parental. Genotipo = los alelos poseídos por un organismo.

Fenotipo = las características de un organismo.

F1 = La primera generación filial. La descendencia de la generación P.

Las plantas F1 son heterocigotas, pero todas tienen semillas lisas debido a que S es el alelo dominante y s es el alelo recesivo.

La grilla muestra lo denominado cuadrado de Punnett. Es usado para mostrar todas las posibles resultantes de un cruzamiento. En este caso los gametos masculinos y los femeninos pueden ser “S” o “s”, dando cuatro posibles genotipos F2.

P genotipo

fenotipo

gametos

Genotipo F1

fenotipo

gametos

genotipo F2 y fenotipos

La forma de la semilla es determinada por un solo gen. Un alelo de este gen (S) da semillas lisas y el otro (s) da semillas rugosas. Las plantas de arvejas son diploides, por tanto ellas tienen dos copias de cada gen. Ambas variedades parentales son homocigotas.

Los gametos son producidos por meiosis, por tanto son haploides y sólo tienen una copia de cada gen.

Cuando las plantas híbridas F1 producen gametos, los dos alelos se separan. Esto es llamado segregación. La Ley de Segregación de Mendel establece que dos alelos de cada gen se separan en gametos diferentes, cuando el individuo produce gametos . La segregación ocurre durante la meiosis. Los dos alelos de un gen son ubicados en cromosomas homólogos que desplazan hacia polos opuestos, causando la segregación (Fig. 7).

Fig. 7. Segregación.

Hay una proporción 3:1 de semillas F2 lisas y rugosas. Los cruzamientos entre los individuos heterocigotos dan una proporción de 3:1 si uno de los alelos es dominante y el

otro es recesivo.

SS ss

semilla lisa semilla rugosa

semilla lisa

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BIOLOGÍA BI 6

4 Herencia de Grupos Sanguíneos Los principios de la herencia descubiertos por Mendel en plantas de arveja también operan en otras plantas y animales. Hay, sin embargo, algunas diferencias y dos de estas son demostradas mediante la herencia de los grupos sanguíneos ABO en los humanos.

4.1 CRUZAMIENTO INVOLUCRANDO ALELOS CODOMINATES

4.2 CRUZAMIENTO INVOLUCRANDO ALELOS CODOMINATES

IA es el alelo del grupo sanguíneo A y IB es el alelo para el grupo sanguíneo B. Ningún alelo es recesivo, tal como lo muestran sus superíndices.

Si IA y IB se presentan juntos, ambos afectan al fenotipo debido a son codominantes. Los alelos codominates son pares de alelos que afectan al fenotipo cuando se presentan juntos en el heterocigoto.

Fenotipo P

genotipo

gametos

Genotipo F1

fenotipo Grupo AB

IA IB

IA IA

Grupo A Grupo B

IB IB

X

IA IB

i i

Los individuos que son homocigotos para i están en el grupo sanguíneo O.

i es recesivo para IA y IB, de modo que IA i da sangre grupo A y IB i da sangre grupo O.

El gen que controla los grupos sanguíneos ABO tiene un tercer alelo: i . Si hay más de dos alelos de un gen, ellos son llamados alelos múltiples .

IA IB Grupo AB

IB i Grupo B

IA i Grupo A

ii Grupo O

Gametos (en círculo)

Fenotipo P

genotipo

En el cuadrado de Punnett se muestran los

genotipos y fenotipos F1

Grupo A

IA i

Grupo B

IB i

IA IB

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BIOLOGÍA BI 7

4.3 DEDUCCIÓN DE GENOTIPOS A PARTIR DE GENEALOGÍAS

Una genealogía muestra a los miembros de una familia y cómo se relacionan unos con otros. Los machos se muestran como cuadrados y las hembras como círculos. Si se conocen los fenotipos de los miembros de la familia, se pueden deducir los genotipos. La figura es una genealogía que muestra el grupo sanguíneo de cada individuo. Se pueden deducir todos los genotipos. También es posible deducir la probabilidad del primer niño de los padres en la tercera generación, siendo grupo sanguíneo A, B, AB y O.

5 Los Genes y el Género 5.1 LOS CROMOSOMAS DEL SEXO Y EL GÉNERO

? Dos cromosomas determinan el género de un niño (si es macho o hembra). Estos son llamados los cromosomas sexuales.

? El cromosoma X es relativamente grande y lleva muchos genes. ? El cromosoma Y es mucho más pequeño y lleva solo unos pocos genes. ? Si dos cromosomas X se presentan en un embrión humano y no hay cromosomas Y, se

desarrolla una niña. ? Si se presentan un cromosoma X y un cromosoma Y, el embrión humano se desarrolla en un

niño. ? Cuando las mujeres se reproducen, pasan un cromosoma X en el huevo. ? Cuando los hombres se reproducen, pasan un cromosoma X y uno Y en el semen, de modo

que el género de un niño depende de si el semen que fecunda al óvulo está llevando un cromosoma X o un cromosoma Y (Fig. 8).

5.2 HERENCIA LIGADA AL SEXO

Si un gen es llevado por el cromosoma X, el patrón de herencia es diferente para machos y hembras. Hay herencia ligada al sexo. El gen ligado al sexo es la asociación de una característica con género, debido a que el gen que controla la característica está ubicado en un cromosoma sexual. Los genes ligados al sexo están casi siempre ubicados en el cromosoma X. Las hembras tienen dos cromosomas X y además tienen dos copias de genes ligados al sexo. Los machos sólo tienen un cromosoma X y además sólo tienen una copia de genes ligados al sexo. En los humanos, la hemofilia (Fig. 9) y el daltonismo son ejemplos de características de genes ligados al sexo.

AB AB

B O A

A A

A

A A

B

B O

A

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BIOLOGÍA BI 8

Fig. 8. Herencia del género en los humanos.

Fig. 9. Ejemplo de un cruzamiento involucrando genes ligados al sexo.

La madre es heterocigoto, pero no es una hemofílica debido a que H es dominante y h es recesivo. Ella es un portador del alelo de la hemofilia.

Un portador tiene un alelo recesivo de un gen, pero no afecta al fenotipo debido a que el alelo dominante también está presente.

Ninguno de la descendencia de la hembra es hemofílico, debido a que todos ellos heredaron el cromosoma X del padre que porta el alelo para una coagulación sanguínea normal (H), pero hay un 50% de probabilidad que una hija sea portadora.

El diagrama más abajo cómo dos padres quienes no tienen hemofilia, podrían tener

un hijo hemofílico. KEY XH El cromosoma X porta el alelo de una coagulación sanguínea normal. Xh El cromosoma X porta el alelo de la hemofilia.

El cromosoma Y no porta al alelo del gen.

Hay un 50% de probabilidad de un hijo hemofílico como la mitad de los huevos producidos por la madre portadora de Xh. La probabilidad de una hija hemofílica es 0%, por lo tanto la probabilidad de la descendencia de hemofílicos es 25%.

XH Xh XH Y

XH XH Xh Y

XH Xh

portador

XH XH

normal

XH Y

normal

Xh Y

hemofílico

Xh

XH XH

Y

Macho

Hembra

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BIOLOGÍA BI 9

6 Análisis de la Descendencia 6.1 EL USO DE LAS GENEALOGÍAS

Los gráficos de descendencia pueden ser usados para estudiar la herencia de una característica:

? Si es causada por un alelo dominante o recesivo ? Si es o no ligada al sexo

Las figuras más abajo son gráficos de descendencia que muestran un patrón diferente de herencia. Se puede deducir el patrón más probable de herencia en cada caso. Los cuadrados representan a los machos y los círculos a las hembras. Los símbolos negros representan a los individuos afectados por la condición y los símbolos blancos representan a los individuos sin afección. En la base del gráfico los símbolos grises representan los individuos que son parcialmente afectados. La probabilidad de los fenotipos diferentes en la descendencia de alguna de las parejas en las descendencias (marcada con un asterisco*) también puede ser determinada.

ALBINISMO ENFERMEDAD DE HUNTINGTON

DISTROFIA MUSCULAR

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BIOLOGÍA BI 10

6.2 LA ELECCIÓN DE SÍMBOLOS PARA LOS ALELOS

Estas reglas usualmente son como sigue:

Alelos dominantes y recesivos de un gen Se escoge una letra del alfabeto. El alelo dominante es representado por la letra mayúscula y el alelo recesivo por la minúscula (e.g. A y a). Alelos codominantes Se escoge una letra del alfabeto. Esta letra y una letra en subíndice representan a cada alelo (e.g. CW y CR). Alelos dominantes y recesivos ligados al sexo La letra X es usada para simbolizar al cromosoma X. Cada alelo se muestra en subíndice (e.g. XH y Xh).

7 El Rastreo Genético El rastreo genético es la prueba en un individuo para determinar la presencia o ausencia de un gen. Los productores vegetales y animales pueden probar la presencia de un alelo recesivo usando la prueba de cruzamiento. El rastreo genético para los humanos involucra más técnicas analíticas modernas, pero es más bien un procedimiento controvertido.

7.1 CRUZAMIENTOS DE PRUEBA

No siempre es posible descubrir si un individuo tiene o no un gen buscando en su fenotipo. Si un alelo de un gen es dominante y el otro es recesivo, un individuo con dos copias del alelo dominante tiene el mismo fenotipo que un individuo con un alelo dominante y uno recesivo. Estos dos genotipos pueden ser identificados realizando la prueba de cruzamiento. Por lo tanto, en esta prueba de cruzamiento, un individuo que debería ser heterocigoto se cruza con un individuo homocigoto recesivo.

7.2 UN EJEMPLO DE UNA PRUEBA DE CRUZAMIENTO

Un ganadero no está seguro si su toro es un Hereford pura sangre o un híbrido Hereford x Aberdeen Angus. El ganado Hereford tiene una cabeza blanca causada por un alelo dominante (H). El ganado Aberdeen Angus tiene cabeza negra causada por un alelo recesivo del mismo gen (h). El ganadero cruza su toro con 100 vacas Aberdeen Angus. La figura (a la izquierda) muestra los resultados si el toro es Hereford pura sangre y la figura (a la derecha) muestra los resultados si el toro es un híbrido Hereford x Aberdeen Angus.

DEFICIENCIA DE FOSFATO GLUCOSA DESHIDROGENASA

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BIOLOGÍA BI 11

7.3 EL RASTREO GENÉTICO EN LOS HUMANOS

La pregunta de si las técnicas de rastreo genético deberían ser usadas en las poblaciones humanas ha sido ampliamente discutida. Hay ventajas potenciales, pero también posibles desventajas. Algunas de éstas se muestran en la siguiente tabla. Ventajas de la proyección genética Desventajas de la proyección genética

Nacen pocos niños con enfermedades genéticas Los hombres o mujeres que sean portadores de un alelo que causa una enfermedad genética podrían impedir tener niños con la enfermedad mediante la elección de un padre que ha sido proyectado y encontrado no ser un portador del mismo alelo.

La frecuencia del aborto puede aumentar Si la enfermedad genética es diagnosticada en un niño antes de su nacimiento, los padres pueden decidir abortarlo. Hay gente que considera que esto es antiético.

Se puede reducir la frecuencia de los alelos que causan enfermedades genéticas Las parejas que saben que son portadores de un alelo recesivo que causa una enfermedad genética, podría usar fertilización in vitro (FIV) para producir embriones y tener embriones proyectados para el alelo. Entonces, el embrión que no porta el alelo podría ser seleccionado para la implantación.

Efectos sicológicos nocivos Si una persona descubre mediante la proyección genética que tiene una enfermedad genética o que desarrollará una enfermedad cuando sea más viejo, este conocimiento puede causarle depresión.

Las enfermedades genéticas pueden ser encontradas y tratadas más eficientemente Si algunas enfermedades genéticas son diagnosticadas cuando un niño es muy joven, se pueden dar tratamientos que prevengan algunos o todos los síntomas de la enfermedad. La fenilcetonuria es un ejemplo.

Creación de una infraclase genética Si se sabe que cierta gente porta una enfermedad genética, podría ser rechazada en trabajos, seguro de vida y seguro de salud y tener menos posibilidad de encontrar pareja.

Toro de cabeza blanca Ww

W w w

Ww ww 1:1 proporción de cabezas

blancas y negras

Vacas de cabeza negra ww

Ww Toda la descendencia tiene cabezas blancas

Toro de cabeza blanca WW

Vacas de cabeza negra ww

W w

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8 Enfermedad Genética y Terapia Génica 8.1 MUTACIÓN Y ENFERMEDAD GENÉTICA

Los genes son casi siempre traspasados de padres a hijos sin ser cambiados. Ocasionalmente los genes cambian y esto es llamado mutación genética. La mutación genética es un cambio en la secuencia de bases de un gen. El cambio posible más pequeño es cuando una base en un gen es reemplazada por otra base. Este tipo de mutación genética es llamada substitución de base. Aunque sólo se cambia una base, las consecuencias pueden ser muy significativas. Muchas mutaciones genéticas causan una enfermedad genética. Más de 4.000 enfermedades genéticas han sido descubiertas. Un ejemplo es la anemia de células falciformes.

8.2 TERAPIA GÉNICA

La terapia génica es el tratamiento de una enfermedad genética mediante la alteración del genotipo. Puede ser posible en el futuro eliminar una enfermedad genética mediante el cambio de una secuencia de bases del alelo que causa la enfermedad. Una técnica más fácil, si el alelo que causa la enfermedad es recesivo, es insertar el alelo dominante para que prevenga la enfermedad al interior de las células afectadas. Esto podría ocurrir en varias etapas en el ciclo de vida humano: en el semen, óvulos, embriones tempranos o células somáticas. Las mejores células somáticas son las células troncales. Las células troncales pueden dividirse una y otra vez para reemplazar a las células somáticas que se han perdido.

Los mayores esfuerzos a la terapia génica no han sido exitosos. Hay algún éxito en el tratamiento de pacientes con deficiencia inmune severa combinada (DISC) causada por la carencia de una enzima llamada ADA. Si la enzima no está presente, los linfocitos sanos no pueden ser producidos por la médula ósea y el sistema inmunológico no puede luchar contra las enfermedades. El que causa la DISC es un alelo recesivo de un gen en el cromosoma 20. La mayoría de la gente tiene un alelo diferente de este gen y puede usarlo para hacer ADA. Un caso famoso de terapia génica involucró a un bebé llamado Andrew.

Terapia génica para el DISC

El rastreo génico antes del nacimiento muestra que Andrew tiene DISC

La sangre removida desde la placenta y el cordón umbilical de Andrew inmediatamente después del nacimiento contiene células madre. Éstas son extraídas desde la sangre

Las células madre contienen el gen trabajador ADA que son inyectadas en el sistema sanguíneo de Andrew vía venosa.

Por cuatro años las células T (glóbulos blancos), producidos por las células madre, hace enzimas ADA, usando el gen ADA. Después de cuatro años más tratamiento fue necesario.

Se obtiene el alelo que codifica el ADA. Este gen es insertado en un retrovirus.

Los retrovirus son mezclados con células madres. Ellas los introducen e insertan el gen en los cromosomas de las células madre.

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BIOLOGÍA BI 13

Anemia falciforme – Las consecuencias de una mutación por substitución de base

Un codón en el ARNm es diferente y además se

altera un aminoácido

en el polipéptido

Parte de HbS

Parte de HbA

Substitución de base

Desde A a T en el triplete que codifica

al sexto aminoácido. La mutación

cambia a HbA en un nuevo

alelo, HbS Transcripción Transcripción

Traducción Traducción

Efecto sobre el fenotipo Efecto sobre el fenotipo

En algunas condiciones los glóbulos rojos contienen la hemoglobina

alterada que los desforma

Los glóbulos rojos normales que transportan oxígeno eficientemente, pero que son afectadas por la malaria

Las células falciformes pueden transportar oxígeno en forma menos eficiente, pero dan resistencia a la malaria

Hb es un gen que codifica a un polipéptido de 146 aminoácidos que forman parte de la hemoglobina

El alelo HBS que causa la anemia falciforme ha llegado a ser común en algunas partes del mundo afectadas por malaria. En estas regiones lo que causa la resistencia a la malaria es una ventaja.

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9 Modificación Genética 9.1 LA MODIFICACIÓN GENÉTICA Y SUS USOS

El código genético es universal, de tal modo que los genes pueden ser transferidos desde un organismo a otro, sólo si ellos son miembros de especies diferentes. Un gen codifica al mismo polipéptido si es en una célula humana, una bacteria o cualquier otra célula. Los organismos a los cuales se les han transferidos genes son llamados organismos genéticamente modificados (OGM) u organismos transgénicos. El proceso de transferencia de genes es llamado modificación genética. Un ejemplo es el transmisor de un gen desde el ganado a las gallinas para hacer crecer una hormona. Otro ejemplo es el transmisor del gen para hacer insulina humana a bacteria (ver Figura). Técnicas usadas para transferir genes en una bacteria

9.2 BENEFICIOS Y RIESGOS DE LA MODIFICACIÓN GENÉTICA

La producción de insulina humana usando bacterias tiene enormes beneficios y sin efectos nocivos evidentes. Hay otros ejemplos de modificación genética que son más controvertidos. Las cosechas de maíz son a menudo seriamente dañados por los insectos perforadores de trigo. Un gen de una bacteria (Bacillus thuringiensis ) ha sido transferido al maíz. El gen codifica a una proteína bacteriana llamada toxina Bt que mata a los perforadores de trigo que se alimentan del maíz.

Los plásmidos son pequeños anillos de ADN que se

encuentran en las bacterias.

El ARNm que codifica la insulina es extraído desde las células del páncreas humano para hacer insulina.

Las copias de ADN del ARNm son hechas usando la enzima transcriptasa.

Las terminaciones pegadas son hechas agregando nucleótidos extra G a las terminaciones del gen.

Se mezclan el gen de la insulina y el plásmido. Ellos se unen mediante el par de bases complementarias (C-G), entre las terminaciones pegajosas.

Los plásmidos se rompen usando la restricción enzimática.

La restricción enzimática corta el ADN en secuencia de bases específicas

Se crean terminaciones agregando nucleótidos C extras a las terminaciones del plásmido cortado.

Los plásmidos recombinates se mezclan con las células. Las células huésped las absorben.

La bacteria E. coli comienza a hacer insulina humana., la cual es extraída, purificada y usada para la diabetes.

Insulina humana

La E. coli genéticamente modificada es cultivada en un fermentador.

Se escoge una célula huésped apropiada para recibir al gen, en este caso una hebra de la bacteria E. coli.

El plásmido con el gen de insulina humana inserto es llamado plásmido recombinante.

El ADN ligasa cierra los espacios en el ADN haciendo enlaces azúcar-fosfato.

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Beneficios potenciales del maíz Bt Posibles efectos nocivos del maíz Bt

Menor daño de pestes y además grandes campos de cosechas para ayudar a reducir los alimentos escasos.

Los humanos o animales de granja que comen el maíz genéticamente modificado puede ser dañado por el ADN bacteriano, o por la toxina Bt.

Menos tierra necesaria para la producción de cosechas, de modo que algunos podrían llegar a ser áreas para la conservación de vida silvestre.

Podrían morir los insectos que no constituyen peste. El polen del maíz que contiene la toxina es inflado en las plantas silvestres que crecen cerca del maíz. Los insectos que se alimentas de las plantas silvestres, incluyendo a las orugas de las mariposas Monarca, también son afectados a pesar que ellos no se alimenten del maíz.

Menor uso de aerosoles insecticidas, que son caros y pueden dañar a los granjeros y a la vida silvestre.

Las poblaciones de plantas silvestres pueden cambiar. Las polinización cruzada propagará al gen Bt en algunas plantas silvestres, pero no en otras. Las plantas después producirían la toxina Bt y tendrían una ventaja sobre otras plantas silvestres en la lucha por sobrevivir.

10 Clonación 10.1 LA MODIFICACIÓN GENÉTICA Y SUS USOS

La clonación es la producción de copias idénticas de genes, células u organismos. Los productos de la clonación son llamados clones. Un clon es un grupo de organismos genéticamente idénticos o un grupo de células genéticamente idénticas derivadas de un solo progenitor. La clonación es muy útil si un organismo tiene una combinación deseable de características, y más organismos con las mismas características son queridos. La mayoría de las plantas pueden ser clonadas fácilmente desde pedazos de raíz, tallo u hoja. Los animales no pueden ser clonados en la misma forma desde partes de sus cuerpos. Si embriones animales en una etapa temprana son divididos en varias partes, cada parte puede desarrollarse en un animal a parte. (Esto ocurre naturalmente cuando se forman gemelos idénticos). Sin embargo, es difícil predecir qué embrión se desarrollará en animales con características deseables y debería además ser clonado. La primera clonación exitosa de un adulto con características conocidas produjo a la oveja Dolly (ver más abajo).

10.2 EL PROYECTO GENOMA HUMANO

Se ha estimado que el proyecto genoma humano consiste entre 30.000 y 40.000. El Proyecto Genoma Humano ayuda a encontrar la ubicación de todos estos genes en los cromosomas humanos y en la secuencia de base de todo el ADN que los forma. El proyecto es una corporación internacional, con laboratorios en muchos países involucrados. La secuencia del genoma humano completa se hará más fácil para estudiar cómo los genes influyen en el desarrollo humano. Esto permitirá una identificación más fácil de las enfermedades genéticas. Permitirá la producción de nuevas drogas basadas en secuencias de genes de bases de ADN o en la estructura de proteínas codificadas mediante estos genes. Nos dará nuevas visiones de los orígenes, evolución y migraciones de humanos.

TEMA 3: GENÉTICA

BIOLOGÍA BI 16

Técnicas para la clonación usando células diferenciadas

10.3 LA CLONACIÓN EN HUMANOS

Los experimentos han mostrado que es posible clonar humanos, pero hay muchos asuntos éticos y la clonación humana ha sido prohibida en muchos países.

Argumentos para la clonación en humanos Argumentos contra la clonación en humanos

Sucede naturalmente cuando se forman gemelos idénticos, de modo que no es un fenómeno nuevo.

Grupos de gente genéticamente idénticos pueden sufrir problemas fisiológicos de identidad o individualidad.

La clonación de embriones pronosticaría más fácil las enfermedades genéticas en embriones.

La clonación usando células diferenciadas a menudo causaría sufrimiento debido a que conlleva un alto riesgo de anormalidades fetales y una alta taza de aborto.

Las parejas infértiles podrían tener más oportunidad de tener éxito con FIV si sus embriones fueran clonados.

El ADN tomado de las células diferenciadas ya ha comenzado a envejecer y los humanos clonados desde él, por lo tanto pueden envejecer más rápido que lo usual.

Los óvulos sin núcleo fueron fusionados con las células donantes usando un impulso

eléctrico.

Las células fusionadas se

desarrollaron como cigotos y llegaron a

ser embriones.

El núcleo fue removido desde

cada óvulo usando una micropipeta.

Las células de ubre fueron tomadas desde una oveja donante. Las células fueron cultivadas en un

medio de bajo nutriente para hacerlas desconectarse de sus genes y llegar a estar dormidos.

Los óvulos sin fertilizar fueron tomados desde otra oveja.

Los embriones fueron implantados en otra oveja que llegó a ser la madre substituta.

Una oveja nació exitosamente y fue

llamada Dolly. Dolly es genéticamente idéntica a la oveja de la cual se

usaron las células de ubre.

TEMA 3: GENÉTICA

BIOLOGÍA BI 17

11 EL Perfil del ADN 11.1 LA REACCIÓN EN CADENA DE LA PCR POLIMERASA

En la reacción en cadena de la polimerasa, el ADN es copiado una y otra vez para producir nuevas copias de las moléculas originales. Millones de copias del ADN pueden ser producidas en unas pocas horas. Esto es muy útil cuando pequeñísimas cantidades de ADN son encontradas en una muestra y grandes cantidades son necesarias para análisis. El ADN desde pequeñísimas muestras de semen, sangre u otro tejido o desde especimenes muertos pueden ser amplificados usando PCR.

11.2 LA ELECTROFORESIS EN GEL

La electroforesis en gel es un método de separación de mezclas de proteínas, ADN u otras moléculas que sean cargadas. La mezcla es ubicada sobre una delgada lámina de gel, la cual actúa como un tamiz molecular. Un campo eléctrico es ampliado al gel mediante electrodos pegados a ambos lados. Dependiendo de si las partículas son cargadas positivamente o negativamente, ellos se mueven hacia uno de los electrodos o el otro. El tipo de movimiento depende del tamaño o carga de las moléculas – las moléculas pequeñas y altamente cargadas se mueven más rápido que las más grandes y menos cargadas.

11.3 EL PERFIL DE ADN

Los humanos y otros organismos tienen secuencias cortas de bases que son repetidas muchas veces, llamado ADN satelital. Este ADN satelital varía ampliamente entre individuos diferentes en el número de repeticiones. Si es copiado usando PCR y luego se corta en pequeños fragmentos usando enzimas de restricción, las longitudes de los fragmentos verían enormemente entre individuos. La electroforesis gel puede ser usada para separar las piezas fragmentadas de ADN de acuerdo a su carga y tamaño. Es muy improbable que el patrón de bandas sobre el gel, sea el mismo para dos individuos cualquiera. Esta técnica, llamado perfil de ADN o impresión digital de ADN tiene muchas aplicaciones. Estas incluyen investigaciones criminales, indagación de la variación en poblaciones y rastreo de individuos en poblaciones tales como migración de ballenas. Las figuras más abajo muestran dos ejemplos del perfil de ADN.

TEMA 3: GENÉTICA

BIOLOGÍA BI 18

Probando si las muestras de ADN

muestran diferencias usando perfil de ADN

Probando PORCENTAJE usando perfil de ADN

Más arriba se muestran los resultados del perfil de ADN de la oveja Dolly. U = las células de ubre desde la oveja donante. C = células en el cultivo derivado desde la células de ubre. D = células sanguíneas de la oveja Dolly.

1 – 12 = resultados de otras 12 ovejas en comparación. Los resultados confirman que Dolly es un clone de las células de ubre donantes.

Los perfiles de ADN de una familia de dunnocks (Prunella modularis ) se muestran más arriba. Las dunnocks son pequeñas aves que se encuentran en Europa, norte de África y Asia. Las marcas desde izquierda a derecha son: la hembra, dos machos residentes que pueden haber sido el padre de la descendencia y cuatro descendientes. Los resultados muestran que el macho ? engendró a tres de los cuatro descendientes (D, E y F), a pesar de ser menos dominante que el macho ? .